高效翼型舵在潛艇上的應用

周軼美，張書誼，盧溦，何漢保

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

高效翼型舵在潛艇上的應用

周軼美，張書誼，盧溦，何漢保

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

［目的］現代潛艇對操縱面設計的要求越來越高，使得設計者們需要不斷研究新的舵型以提高操縱面的效率，而高效翼型舵是提高操縱面效率的有效措施之一。［方法］為此，在比較分析各種翼型優、缺點的基礎上，提出一種優化的高效翼型舵，并采用數值計算的方法，比較分析潛艇上應用這種高效翼型舵與常規NACA舵的水動力特性和對尾部伴流場的影響規律，同時在拖曳水池中開展模型測力試驗，發現試驗結果與仿真計算結果一致性良好，誤差不超過10%。［結果］研究結果表明：高效翼型舵的舵效比常規舵高40%以上，但對艇體總阻力的影響則與常規舵相當，不超過4%；采用高效翼型舵帶來的升力效益要比其對艇體總阻力的影響大得多。［結論］表明高效翼型舵在提高操縱效率方面優勢明顯，有著較好的應用前景。

潛艇；高效翼型舵；水動力特性；尾部伴流場

0 引 言

隨著潛艇技術的發展，對操縱面設計的要求越來越高。首先，常規潛艇的噸位越來越大，而受操縱面超寬、超基線等條件的限制，速升率等操縱性指標越來越難以達到要求，因此迫切需要提高操縱面效率來保證潛艇操縱性能。其次，潛艇隱身性能的發展也對操縱面設計提出了越來越高的要求。為使潛艇真正達到安靜化的目標，各國海軍一直在進行潛艇的減振降噪技術研究，包括降低水動力噪聲方面的研究，而這也給操縱面的研究設計提出了更高的要求，例如，要求艉操縱面盡量遠離螺旋槳盤面以減小對螺旋槳伴流場的影響；減小操縱面面積以降低聲目標強度；控制操縱面展長以降低振動等。這些因素的制約使得操縱性設計的難度越來越大，需要設計者們不斷嘗試研究新的舵型來提高操縱面效率［1］。

采用高效翼型剖面形式是提高翼型效率的措施之一［2］。在潛艇上應用高效翼型剖面除了要有良好的舵效，還要求阻力不能增加太多，且應用于艉部舵時還要考慮不能明顯影響螺旋槳噪聲。針對這一需求，本文將對高效翼型舵在潛艇上應用的技術問題進行研究。

1 高效翼型舵剖面方案

1.1 常見的翼型剖面形式

為了提高舵的水動力性能，國內外流體力學專家學者們對翼型的剖面形式開展了大量研究，并發表了許多有關舵剖面形狀和水動力方面的文獻。在國外，比較著名的有美國國立空氣動力學咨詢委員會的NACA系列、前蘇聯克雷洛夫研究院的儒柯夫斯基НЕЖ系列、前蘇聯空氣動力中心試驗室的ЦАГЙ系列、德國哥廷根試驗室的Gottigen系列以及德國漢堡造船研究所的Jfs系列（泰勒水池）等。

在國內，上海交通大學從國內外諸多翼型中改進、優選出了高效且水動力特性良好的JDYW系列翼剖面［3］，并在某型艦上開展了應用研究。其進行的約束模試驗結果表明，在同樣的面積及展弦比情況下，JDYW系列翼剖面的失速角不小于原NACA舵，噪聲也不大于原NACA舵，但滿舵時的相對回轉直徑D/L則比NACA舵縮小了28.5%。

武漢理工大學研制的魚尾舵（或稱“整流尾舵”）和原NACA舵相比可使升力系數提高1.5倍［4］，在相同的舵面積下，整流舵所產生的操縱性能效果明顯優于常規NACA舵。且自航模試驗也表明，滿舵時整流舵的回轉直徑比常規NACA舵小25.7%。喻紅霞［5］和楊建民［6］也對魚尾舵的水動力性能進行了計算分析。

在這些剖面形式中，NACA系列的資料最齊全，綜合性能較優，至今仍被廣泛應用；НЕЖ系列的性能也較優，但其單尾緣尖銳不合實用；JFS系列的舵效很高，借鑒德國仙林舵發展過來WZF系列的舵效也很高，但必須配置上、下制流板，否則后半部的強度會略顯不足。其中，JFS和WZF剖面形式有3個共同的特點：一是翼型最大剖面更靠近首緣而形成鈍首緣；二是尾緣均為方緣；三是自最大剖面向尾緣的收縮劇烈，并出現了平直段。

由于這些幾何特點增加了剖面彎度，改變了翼型的壓力分布，故使之產生了有利于增加舵的法向力的作用，致使舵效大幅提高。但存在的問題是，因舵桿安裝在最大剖面附近，而最大剖面又太靠近首緣，使得舵的平衡比過小。上海交通大學在分析4種優秀對稱翼型（NACA系列、НЕЖ系列、JFS系列和WZF系列）的基礎上，設計了JDYW對稱翼型。上述5種較優秀的舵剖面形式如圖1所示。以通常展弦比為1.5、厚度比為0.18的矩形平衡舵為例，5種翼型剖面的效率對比如表1所示［3］，表中t為舵厚，b為單舵舷長。

由表1中可看到，JDYW系列的舵效比NACA系列高出了45%，比WZF系列高出了2%，是一種比較優良的翼型，因此，后文中潛艇用翼型剖面的研究將在此基礎上開展。

1.2 翼型剖面方案

為便于比較分析，本文選取了3種剖面方案：NACA翼型剖面、JDYW剖面和優化的高效翼型剖面。高效翼型剖面結合了JDYW系列和WZF系列翼型剖面的優點，將翼型設置成魚尾，同時優化魚尾型線的過渡性，改良舵機功率使用的合理性，并最大程度地增加舵效。

3種剖面的翼型剖面形式和型值對比如圖2和圖3所示。

2 敞水舵水動力特性對比分析

在敞水舵的數值計算方面，馬玉成和李勝忠等［7-9］開展了大量研究。經驗表明，采用SIMPLEC算法結合RNG k-ε湍流模式計算雷諾平均納維—斯托克斯方程（RANS）可以獲得較好的計算精度。壓力方程采用標準的離散格式進行離散，動量方程、湍流方程、雷諾應力方程均采用二階迎風格式進行離散。網格劃分采用結構化網格，為有效模擬近壁面處的流動，在邊界層區域內合理布置了網格并選擇了適合的網格尺度。

2.1 計算域及邊界條件

單舵的計算域如圖4所示。計算域為長5b，高10 tmax（tmax為單舵最大厚度）的包圍襟翼舵的矩形，矩形中心軸線與舵模型的對稱軸重合；進流邊界面為矩形前端面，距離模型首部1b；出流邊界面為矩形后端面，距離模型尾部3b；外邊界為矩形的4個側面。

邊界條件如下：

1）速度入口（Velocity inlet）：舵首部向前1b，設定來流速度的大小與方向，Vin=V0；入口處的湍動能和湍動能耗散率由經驗公式確定：。

2）壓力出口（Pressure outlet）：舵尾部向后3b，認為流動在該處已經充分發展，故邊界條件使用壓力出口。

3）壁面（Wall）：即單舵的外表面，設定無滑移條件，u=v=w=0（u，v，w分別為縱向、橫向和垂向速度）。

4）外場：因流域外表面距離舵足夠遠，故可以認為在該面上沒有法向速度，因此可以取邊界條件為速度入口。

2.2 舵型表面壓力分布

分別計算了來流速度6 kn，舵角0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°時的舵型表面壓力分布，圖5、圖6為優化的高效翼型舵在15°舵角時舵表面的壓力分布云圖。

2.3 三種舵型單舵的水動力特性

由數值計算，得到3種舵型的阻力系數、升力系數和壓力中心系數的比較如圖7～圖9所示。

由圖中可看到：

1）單舵在升力大幅增加的同時，阻力增加也較多，高效翼型舵的升力和阻力增加均比JDYW舵大。與NACA舵相比，高效翼型舵的阻力提高了30%～40%，升力在小舵角時提高了約30%，在大舵角時提高了約60%。

2）3種舵型的壓力中心系數差異明顯，和NACA舵相比，高效翼型舵的壓力中心系數后移了，且隨著舵角的變化平緩，可以更利于舵軸的設置。

3 艇后舵水動力特性對比分析

艇后舵的水動力特性對比分析在NACA舵與優化的高效舵之間進行。

3.1 計算域及邊界條件

計算域如圖10所示。計算域為長5L（L為艇長），直徑10B（B為艇寬）的包圍潛艇的圓柱體，軸線與潛艇模型對稱軸重合。進流邊界面為圓柱體前端面，距離模型首部1L；出流邊界面為圓柱端后端面，距離模型尾部3L；外邊界為圓柱側面。

邊界條件如下：

1）速度入口（Velocity inlet）：潛艇艏部向前1L，設定來流速度的大小與方向，Vin=V0；入口處的湍動能和湍動能耗散率由經驗公式確定：。

2）壓力出口（Pressure outlet）：潛艇艉部向后3L，認為流動在該處已經充分發展，故邊界條件使用壓力出口。

3）壁面（Wall）：潛艇外表面，設定無滑移條件，u=v=w=0。

4）外場：因為流域外表面距離艇體足夠遠，故可以認為在該面上沒有法向速度，因此可以取邊界條件為速度入口。

3.2 兩種舵對阻力及偏航力的影響計算分析

利用上述數值計算，得到2種舵對阻力和偏航力的影響如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可見，在小舵角時，高效翼型舵和NACA舵的阻力增加差不多，在30°舵角時，高效翼型舵的阻力增加比NACA舵大4.43%；而和NACA舵相比，高效翼型舵偏航力的增加則非常多，尤其在小舵角時尤為明顯，在30°舵角時，偏航力的增加比NACA舵大41.23%。其原因是舵阻力在總阻力中只占很小的比例，而舵偏航力是引起艇轉向的偏航力的主要成分。由此可見，采用高效翼型舵帶來的升力效益要比其帶來的對艇體的總阻力影響大得多。

4 模型試驗結果與仿真計算結果對比分析

為了驗證計算結果的準確性，在拖曳水池開展了敞水舵和艇后舵模型測力試驗，試驗模型如圖13所示。

4.1 敞水試驗

敞水試驗數值計算結果與模型試驗結果的對比分析如圖14和圖15所示。

由圖中可看出，計算值與試驗值的規律一致，升力計算與模型試驗的誤差基本在10%以內。

4.2 艇后試驗

高效翼型舵艇后轉舵試驗結果與數值計算結果的對比如圖16和圖17所示。

由圖中可看出，艇后舵數值計算結果與模型試驗結果的一致性良好，誤差小于10%，驗證了數值仿真計算所得規律的合理性。

5 高效翼型舵對尾部伴流場的影響分析

圖18～圖22給出了常規十字舵和高效翼型舵舵角10°時的伴流情況。圖中：Vθ/V為伴流；θ為周向角；R為螺旋槳半徑。伴流取在槳盤面處，半徑分別取為0.4R，0.6R，0.8R，1.0R和1.2R。

由圖可見，與常規舵相比，在所有半徑處，高效翼型舵尾部伴流場的不均勻度更大，特別是小半徑處，不均勻度增加了60%～70%。

然而高效翼型舵對尾部伴流場不均勻度的影響大并不代表對螺旋槳噪聲的影響就大，因為螺旋槳具有濾波作用，只有在諧調頻率等于葉數或其整倍數的伴流場諧調分量時才對螺旋槳的推力脈動、轉矩脈動和切向力脈動有影響［10］。所以，舵型對螺旋槳噪聲的影響有可能與對伴流場不均勻度的影響相反，舵型對螺旋槳噪聲的影響還有待進一步的研究探討。

6 結 語

由上述計算及對比分析可以看到，對于相同的舵面積和展弦比，高效翼型舵的舵效與常規舵相比在整個舵角范圍內均提高了40%以上；但其對艇體總阻力的影響與常規舵相當，在大舵角下不超過4%。采用高效舵帶來的升力效益要比其帶來的對艇體總阻力的影響大得多，在提高操縱效率方面優勢明顯，有著較好的應用前景，可將其應用于艏部舵以減小艏舵尺度，而對于艉部舵上的應用，則還需進一步研究探討其對螺旋槳噪聲的影響。

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High-efficiency airfoil rudders applied to submarines

ZHOU Yimei，ZHANG Shuyi，LU Wei，HE Hanbao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Modern submarine design puts forward higher and higher requirements for control surfaces,and this creates a requirement for designers to constantly innovate new types of rudder so as to improve the efficiency of control surfaces.Adopting the high-efficiency airfoil rudder is one of the most effective measures for improving the efficiency of control surfaces.In this paper,we put forward an optimization method for a high-efficiency airfoil rudder on the basis of a comparative analysis of the various strengths and weaknesses of the airfoil,and the numerical calculation method is adopted to analyze the influence rule of the hydrodynamic characteristics and wake field by using the high-efficiency airfoil rudder and the conventional NACA rudder comparatively；at the same time,a model load test in a towing tank was carried out,and the test results and simulation calculation obtained good consistency:the error between them was less than 10%.The experimental results show that the steerage of a high-efficiency airfoil rudder is increased by more than 40%when compared with the conventional rudder,but the total resistance is close: the error is no more than 4%.Adopting a high-efficiency airfoil rudder brings much greater lifting efficiency than the total resistance of the boat.The results show that high-efficiency airfoil rudder has obvious advantages for improving the efficiency of control,giving it good application prospects.

submarine；high-efficiency airfoil rudder；hydrodynamic characteristics；wake field

U661.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.009

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1608.022.html

周軼美，張書誼，盧溦，等.高效翼型舵在潛艇上的應用［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：71-77.

ZHOU Y M，ZHANG S Y，LU W，et al.High-efficiency airfoil rudders applied to submarines［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：71-77.

2016-08-29 < class="emphasis_bold"> 網絡出版時間：

時間：2017-3-13 16:08

周軼美（通信作者），女，1972年生，碩士，高級工程師。研究方向：艦船操縱性

期刊網址：www.ship-research.com